林孝先，彭軍，侯中健，韓浩東，李旭杰，馬春疆

1.國土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗室，成都 610081 2.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽 621000 3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500 4.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059

0 引言

在四川盆地及鄰區(qū)，上震旦統(tǒng)燈影組藻白云巖(algal dolostone)是鉛鋅礦、菱鎂礦、磷礦重要的容礦母巖和礦源層[1- 2]，也是天然氣藏重要的儲集層[3]和烴源巖[4]。燈影組藻白云巖研究由來已久，至少可追溯到二十世紀(jì)六十年代[5- 6]，后經(jīng)不斷研究，學(xué)者們已認(rèn)識到藻白云巖特征和成因的復(fù)雜性[7- 12]，但研究中也存在一些問題。嚴(yán)格來說，“藻白云巖”這一術(shù)語的原始定義較弱，其所謂的“藻”其實(shí)是藻類和細(xì)菌等組成的微生物復(fù)合體，故把其稱為微生物白云巖(microbial dolostone)更為合適，也有其他研究者將其稱為藍(lán)細(xì)菌白云巖[13]或微生物碳酸鹽巖[14]，隸屬于微生物巖(microbialites)研究范疇。

回顧歷史，微生物巖相關(guān)研究至少可以追溯至十七世紀(jì)中葉[15]，直到二十世紀(jì)八十年代，它們先后經(jīng)歷了(無機(jī)→生物)巖石成因、(藻類→細(xì)菌)微生物種類、(淡水→海水和咸水)沉積環(huán)境、(單一→多種)巖石類型等方面的認(rèn)知轉(zhuǎn)變。二十世紀(jì)八十年代之后，微生物地質(zhì)學(xué)研究受到重視，相關(guān)研究也開始迅猛發(fā)展，其研究內(nèi)容和趨勢主要體現(xiàn)在形成機(jī)制[16- 17]、形態(tài)學(xué)[18- 19]、環(huán)境意義[20- 21]、微生物培養(yǎng)實(shí)驗[22- 23]、與礦產(chǎn)資源關(guān)系[24- 25]等五個方面。

在這種背景下，四川盆地及鄰區(qū)燈影組藻白云巖的研究現(xiàn)狀和存在問題主要包括：1)藻白云巖成因還存在爭論，生物與非生物、原生與次生的觀點(diǎn)都有存在，例如，作者在前期研究中發(fā)現(xiàn)藻白云巖中同時包含原生的微生物白云石(microbial dolomite)和次生的擬晶白云石(mimetic dolomite)[2]，但二者的詳細(xì)特征、形成過程、相互關(guān)系等問題還需進(jìn)一步研究。2)已認(rèn)識到藻類、細(xì)菌等微生物在藻白云巖形成過程中的重要作用[12]，但微生物還缺乏系統(tǒng)性研究，如對其形態(tài)、種類、胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)、生物膜、微生物席以及微生物作用的類型、機(jī)制等研究還有待深入。3)藻白云巖是一套白云巖類型的組合，包含很多種構(gòu)造類型[10,26]，如疊層狀、紋層狀、葡萄狀等構(gòu)造，但缺乏系統(tǒng)性的形態(tài)學(xué)、分類學(xué)研究。4)藻白云巖中保存有精美的原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，但缺乏詳細(xì)的特征和成因研究，其中諸如文石、高鎂方解石假晶等原生結(jié)構(gòu)的研究較少，哪怕研究較多的葡萄狀構(gòu)造，也存在同生—準(zhǔn)同生和表生成因的激烈爭論[27- 28]。5)藻白云巖及其原生構(gòu)造(包含微生物誘發(fā)沉積構(gòu)造(microbial induced sedimentary structure，MISS))的環(huán)境、生態(tài)意義研究相對薄弱。6)藻白云巖與礦產(chǎn)資源關(guān)系研究還未受到重視。

基于此，本文針對四川漢源—峨邊地區(qū)燈影組藻白云巖的特征和成因，從形態(tài)學(xué)、巖石學(xué)、礦物學(xué)、微生物學(xué)、原生結(jié)構(gòu)、原生構(gòu)造和古環(huán)境等特征研究出發(fā)，較為系統(tǒng)地探討了研究區(qū)燈影組藻白云巖的形成機(jī)制和成因問題。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地西南緣、攀西大裂谷北端的漢源—峨邊地區(qū)(圖1)，區(qū)內(nèi)上震旦統(tǒng)燈影組地層中發(fā)育一套巨厚的藻白云巖，其保存有豐富的化石和精美的原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，是研究藻白云巖的理想場所。

研究區(qū)燈影組地層劃分還存在一定的爭議，本文為和國際年代地層系統(tǒng)對比，將上震旦統(tǒng)燈影組與新元古界(Neoproterozoic)埃迪卡拉系(Ediacaran)對應(yīng)，上覆地層為下寒武統(tǒng)麥地坪組，下伏地層為下震旦統(tǒng)觀音崖組，燈影組由下至上可分為四段，藻白云巖主要發(fā)育在燈二段，其次在燈四段(圖2)，而在燈三段底部發(fā)育藍(lán)灰色、灰色、黑色泥巖。燈影期為全球海平面上升時期，研究區(qū)及鄰區(qū)主要發(fā)育環(huán)繞碳酸鹽臺地的潮坪相和潟湖相沉積，而燈二段和燈四段沉積期主要為高水位體系域時期，利于藻白云巖發(fā)育。另外，在晚震旦世—早寒武世，研究區(qū)發(fā)生區(qū)域性的桐灣抬升運(yùn)動，形成多期平行不整合面或風(fēng)化殼。關(guān)于桐灣運(yùn)動期次(或幕次)，一直存在2期或3期的爭論，但作者發(fā)現(xiàn)在先鋒剖面至少存在4期不同規(guī)模的平行不整合面或風(fēng)化殼(圖2)。燈二段與燈三段、麥地坪組與筇竹寺組之間的平行不整合面規(guī)模較大，形成風(fēng)化殼，可區(qū)域?qū)Ρ?；燈四段與麥地坪組之間的平行不整合面規(guī)模中等，巖溶現(xiàn)象十分明顯，也可區(qū)域?qū)Ρ?；而燈三段與燈四段之間的平行不整合面規(guī)模較小，只局部地區(qū)發(fā)育明顯，區(qū)域?qū)Ρ刃韵鄬^差。桐灣運(yùn)動的(2期、3期或4期)期次爭論其實(shí)并不矛盾，主要與其不同的劃分級別和規(guī)模有關(guān)。

2 材料與方法

本文研究樣品來自于研究區(qū)高橋、先鋒、金口河、馬烈、團(tuán)寶山、唐家等剖面(圖1)的燈二段和燈四段地層，主要為具豐富微生物化石、原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的藻白云巖。首先對藻白云巖的剖面結(jié)構(gòu)、巖石學(xué)、形態(tài)學(xué)、原生構(gòu)造特征進(jìn)行了宏觀分析，在此基礎(chǔ)上，對具不同原生構(gòu)造的藻白云巖中的白云石、微生物化石、原生結(jié)構(gòu)等特征及其成因分別進(jìn)行了微觀的沉積學(xué)和地球化學(xué)分析。具體使用的測試分析方法及其儀器如下：白云石和微生物化石的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、礦物、晶體和光學(xué)特征觀察使用了(日本尼康，LV100POL)偏光顯微鏡和(美國FEI，Quanta250 FEG)場發(fā)射掃描電子顯微鏡；白云石和微生物化石的陰極發(fā)光特征觀察使用了(德國，CL- 4)陰極發(fā)光顯微鏡；白云石和微生物化石的常量、微量元素分析使用了(英國Oxford，INCAx- max20)能譜儀(配合掃描電子顯微鏡使用)和(美國PE，ELAN DRC- e)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP- MS)。上述測試分析工作主要在油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室和成都理工大學(xué)測試中心完成。

3 結(jié)果

3.1 野外剖面宏觀特征

藻白云巖地層厚度較大(圖3A)，關(guān)于其分類還存在一定的爭議。根據(jù)宏觀形態(tài)、原生構(gòu)造和微生物作用特征，藻白云巖可以分為藻黏結(jié)型和藻粒屑型兩種類型[10]，而研究區(qū)燈影組藻白云巖可依此細(xì)分為：1)藻黏結(jié)型白云巖，包括疊層狀白云巖、紋層狀白云巖、葡萄狀白云巖、均一狀白云巖、雪花狀白云巖、凝塊狀白云巖、核形石白云巖；2)藻粒屑型白云巖，包括藻礫屑白云巖、藻砂屑白云巖、藻粉屑白云巖。在這些藻白云巖中，以疊層狀白云巖、紋層狀白云巖、葡萄狀白云巖、均一狀白云巖為主，其次為雪花狀白云巖、藻砂屑白云巖、凝塊狀白云巖，其余偶見。疊層狀白云巖(圖3B，C)主要呈穹窿狀、丘狀、微指狀、波狀，柱狀的少見，其中疊層清晰，明暗層分明，微生物席十分發(fā)育。紋層狀白云巖(圖3D，E)中可見清晰的、呈水平狀的明暗層，暗層時斷時續(xù)，為發(fā)育的微生物席，還可見鳥眼孔發(fā)育。葡萄狀白云巖(圖3F，G)主要由順地層、(層間和穿層)溶蝕孔縫中產(chǎn)出的白云石化葡萄狀團(tuán)塊和葡萄狀、櫛殼狀膠結(jié)物或充填物組成，其中葡萄狀團(tuán)塊具有核心和厚的包殼，核心主要為凝塊石、葡萄石、藻砂屑等，包殼中可見清晰的、彎曲的明暗層。關(guān)于葡萄狀白云巖的成因問題，會在下文做專門討論。均一狀白云巖(圖3H，I)為泥微晶白云巖，因含微生物化石、有機(jī)物較多，顏色偏深，多呈深灰色，無明顯的宏觀構(gòu)造，常與紋層狀白云巖、疊層狀白云巖、凝塊狀白云巖共生。另外，在野外剖面上，各類型藻白云巖的發(fā)育分布具有一定的規(guī)律性，由下往上組成旋回性結(jié)構(gòu)，比如均一狀白云巖、凝塊狀白云巖、藻團(tuán)粒白云巖通常發(fā)育在旋回的下部，指示水動力條件較弱的較深水環(huán)境，紋層狀白云巖、葡萄狀白云巖、疊層狀白云巖、藻砂屑白云巖發(fā)育在旋回的中部，指示水動力條件較強(qiáng)的淺水環(huán)境，而雪花狀白云巖發(fā)育在旋回的上部，指示潮上帶環(huán)境，這反映了海平面由下往上由深變淺的相對變化過程(圖2)。

圖1 研究區(qū)位置及地層分布圖Fig.1 The location and strata distributions of the study area

圖2 研究區(qū)燈影組地層剖面及平行不整合特征A.燈二段與燈三段之間的平行不整合面規(guī)模較大，形成風(fēng)化殼，可區(qū)域?qū)Ρ?；B.燈三段與燈四段之間的平行不整合面規(guī)模較小，只局部地區(qū)發(fā)育明顯，區(qū)域?qū)Ρ刃韵鄬^差；C.燈四段與麥地坪組之間的平行不整合面規(guī)模中等，巖溶現(xiàn)象十分明顯，也可區(qū)域?qū)Ρ龋籇.麥地坪組與筇竹寺組之間的平行不整合面規(guī)模也較大，形成風(fēng)化殼，可區(qū)域?qū)Ρ取Ｒ巴庹掌瑪z于先鋒剖面。Fig.2 The stratigraphic profile and parallel unconformity of the Dengying Formation in the study area

圖3 研究區(qū)燈影組藻白云巖野外剖面宏觀特征A.藻白云巖剖面特征，燈二段，先鋒剖面；B.疊層狀藻白云巖剖面特征，疊層清晰，呈穹窿狀，燈二段，高橋剖面；C.疊層狀藻白云巖剖面特征，疊層石呈微指狀、波狀(紅色虛線示意)，燈二段，金口河剖面；D.紋層狀藻白云巖剖面特征，層厚較薄，燈四段，先鋒剖面；E.紋層狀藻白云巖剖面特征，明暗紋層清晰，鳥眼孔發(fā)育，燈二段，唐家剖面；F.葡萄狀藻白云巖手標(biāo)本特征，孔縫中產(chǎn)出，燈二段，馬烈剖面；G.葡萄狀藻白云巖剖面特征，順地層產(chǎn)出(黃色箭頭)，見葡萄狀團(tuán)塊(紅色虛線框放大)，葡萄狀團(tuán)塊具核心和厚的包殼，燈二段，高橋剖面；H.薄層均一狀藻白云巖剖面特征，無明顯的宏觀構(gòu)造，燈二段，高橋剖面；I.中—厚層均一狀藻白云巖剖面特征，無明顯的宏觀構(gòu)造，燈二段，唐家剖面。Fig.3 The macroscopic profile characteristics of algal dolostones of the Dengying Formation in the study area

3.2 顯微特征

3.2.1 白云石特征

在厘米級及以上尺度，燈影組藻白云巖具有如上所述的多種次級類型；而在毫米尺度，即普通偏光顯微鏡觀察下，藻白云巖中的白云石主要具有隱晶狀和纖維狀兩種產(chǎn)狀；在微米及納米級尺度，即掃描電鏡觀察下，隱晶狀和纖維狀白云石還可細(xì)分出若干次級類型(圖4)。

(1) 隱晶狀白云石特征

隱晶狀白云石主要產(chǎn)于疊層狀、紋層狀、均一狀、凝塊狀白云巖中，色暗，富含有機(jī)質(zhì)，在普通偏光顯微鏡下顯微形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征不明顯(圖4A)。在掃描電鏡下，隱晶狀白云石特征明顯，易于識別，主要呈片狀、不規(guī)則狀、球狀、卵狀、納米粒狀等形態(tài)。片狀白云石(圖4D、圖5H)，普遍發(fā)育，較為致密，內(nèi)部存在孔洞，斷口處可見片狀白云石堆積，類似泥頁巖的片理結(jié)構(gòu)，表面干凈、未見黏土礦物。不規(guī)則狀白云石(圖4E)，常與片狀白云石共生，也可單獨(dú)產(chǎn)出，其表面受黏土礦物影響而富集Si、Mg元素。片狀、不規(guī)則狀白云石的特征與Perrietal.[29]、王小林等[30]研究的微生物白云石具有很好的可對比性。球狀、卵狀白云石(圖4F)的形態(tài)相似，表面也富集Si、Mg元素；粒徑在1～20 μm之間，以1～3 μm為主，小粒徑的白云石，或單獨(dú)產(chǎn)出，或幾個簇生(或共生)，而大粒徑的白云石多單獨(dú)產(chǎn)出，且內(nèi)部可見放射狀結(jié)構(gòu)(圖4G)，周圍還共(伴)生有黏土礦物。納米粒狀白云石較少單獨(dú)出現(xiàn)，多以納米似立方體粒狀的形態(tài)出現(xiàn)在微生物席(生物膜)的周圍(圖5D)，或以納米球狀的形態(tài)出現(xiàn)在不規(guī)則狀、球狀、卵狀白云石的表面(圖4E，F(xiàn))。球狀、卵狀、納米粒狀白云石的特征可與Vasconcelosetal.[31], Aloisietal.[32], Sánchez- Románetal.[33- 34], Bontognalietal.[35- 36]， McKenzieetal.[22]等研究的微生物白云石相對比。相應(yīng)的，隱晶狀白云石的顯微結(jié)構(gòu)主要有黏膜狀(或席狀)結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)、不規(guī)則狀結(jié)構(gòu)、納米粒狀結(jié)構(gòu)、放射狀結(jié)構(gòu)及簇狀結(jié)構(gòu)等。這些隱晶狀白云石及其結(jié)構(gòu)的形成與微生物席(生物膜)發(fā)育和EPS礦化作用密切相關(guān)，特別是納米粒狀白云石，代表了微生物白云石早期成核階段的產(chǎn)物，在微生物白云石識別中具有重要的指示作用。

(2) 纖維狀白云石特征

纖維狀白云石主要產(chǎn)于葡萄狀、紋層狀、疊層狀、藻砂屑、凝塊狀白云巖中，可從中識別出纖維狀文石和高鎂方解石前驅(qū)的晶體特征。

1) 文石前驅(qū)特征

①異化顆粒包殼中的文石前驅(qū)

該類文石為等厚纖維狀環(huán)邊文石，主要發(fā)育于葡萄狀團(tuán)塊、藻砂屑、凝塊石等異化顆粒的包殼中。相對來說，葡萄狀團(tuán)塊包殼中的文石特征最為突出，其厚度較大，具多層明暗層組合，文石前驅(qū)的纖維狀假晶和波狀消光特征明顯(圖4B)，而藻碎屑、凝塊石的包殼較薄，往往只發(fā)育一層暗層。在葡萄狀團(tuán)塊中，最靠近核心的是暗層，顏色最深，遠(yuǎn)離核心，明暗層厚度增大，文石前驅(qū)共軸生長，纖維狀假晶和波狀消光更加明顯，且在包殼邊緣處常見妥協(xié)邊界發(fā)育(圖4B)。在明層中，文石前驅(qū)保存有較好的纖維狀結(jié)構(gòu)，寬度多在1～8 μm之間，白云石晶體局限其中，共軸生長，可見其垂直于長軸方向的晶體生長紋(圖4H)，陰極發(fā)光呈弱發(fā)光—不發(fā)光(圖4C)。在暗層中，文石前驅(qū)主要沿明層繼續(xù)共軸生長，但其具有更小的、更自形的白云石晶體，表面多被泥質(zhì)覆蓋，晶體生長紋不常見(圖4I)，陰極發(fā)光比明層稍強(qiáng)，發(fā)暗紅色光或弱發(fā)光，與富含有機(jī)質(zhì)的核心發(fā)光相似(圖4C)。在明暗層內(nèi)，還常見文石前驅(qū)晶內(nèi)的細(xì)小包裹體，晶內(nèi)、晶間的微孔隙(圖4H)等。

②紋層狀和疊層狀白云巖中的文石前驅(qū)

該類前驅(qū)以紋層狀白云巖中水平層狀的等厚纖維狀文石前驅(qū)的特征最為明顯，而疊層狀白云巖中的文石前驅(qū)含量相對較少，多為彎曲層狀或丘狀。與上述異化顆粒包殼中的文石前驅(qū)相比，其也具有特征的明暗層、纖維狀假晶和波狀消光，但其為層狀產(chǎn)出，單層厚度較薄，整體顏色較深，常見與高鎂方解石、石膏等共生。

2) 高鎂方解石前驅(qū)特征

該類前驅(qū)也主要出現(xiàn)在紋層狀和疊層狀白云巖中，多為等厚纖維狀高鎂方解石前驅(qū)，與等厚纖維狀文石前驅(qū)、石膏等伴生。纖維狀高鎂方解石在理論上可細(xì)分為放射軸狀纖狀方解石(radiaxial fibrous calcite)、束狀光性方解石(fascicular- optic calcite)、放射狀纖狀方解石(radial fibrous calcites)三種類型[37]。在研究區(qū)燈影組，主要發(fā)育放射軸狀纖狀方解石前驅(qū)，呈層狀，具波狀消光、不規(guī)則邊界、內(nèi)部沉積物，也見部分晶面平直、不具波狀消光的放射狀纖狀方解石前驅(qū)。陰極發(fā)光呈暗紅色或弱發(fā)光。

3.2.2 微生物化石特征

研究區(qū)燈影組疊層狀、紋層狀、均一狀、葡萄狀藻白云巖中含有豐富的微生物化石，可細(xì)分為實(shí)體化石和遺跡化石兩類，其主要成分為泥晶白云石，但可見泥晶高鎂方解石前驅(qū)礦物特征。

(1) 微生物實(shí)體化石特征

微生物實(shí)體化石種類主要為藻類和細(xì)菌(圖5)。藻類以紅藻為主，其次為綠藻。紅藻(圖5A)主要呈結(jié)核狀、卵狀、球狀，粒徑一般大于200 μm，也見絲狀體組成的毫米級的藻群體，紅藻的細(xì)胞壁多呈隱晶結(jié)構(gòu)，而細(xì)胞內(nèi)的白云石晶體粒徑稍大，疑為孢子囊和生殖窩等組織構(gòu)造。細(xì)菌(圖5C、圖5F～I(xiàn))主要為藍(lán)細(xì)菌門(CyanobacteriaorCyanophyta)色球藻綱(Chroococcophyceae)和藻殖段綱(Hormogonophyceae)下屬(genus)的腎形菌(Renalcis)、微球菌(Nanococcus)、葛萬菌(Girvanella)和附枝菌(Epiphyton)等，是EPS的重要生產(chǎn)者[38]，多以(實(shí)心和空心)球狀、卵狀、腎狀、樹枝狀單細(xì)胞體以及實(shí)心絲狀體形式出現(xiàn)，個體較小，粒徑多小于200 μm，以1～20 μm為主，細(xì)胞表面多富集Si、Mg元素，疑似細(xì)胞壁或胞外聚合物(EPS)，內(nèi)部為白云石。

(2) 微生物遺跡化石特征

微生物遺跡化石主要以微生物席、生物膜、藻跡和藻斑點(diǎn)等形式存在(圖5A～F)。微生物席(圖5C)主要發(fā)育在疊層狀白云巖中，其次發(fā)育在紋層狀白云巖中(圖4A)，其余類型的藻白云巖中微生物席發(fā)育較弱，或以早期的EPS或生物膜(圖5D～F)形式存在。微生物席(生物膜)主要呈片狀、席狀的黏土礦物包裹微生物和白云石，同時常伴生有霉球狀、近圓柱狀黃鐵礦(圖5E)，這與微生物席的包裹、封閉作用有關(guān)，說明微生物中硫酸鹽還原細(xì)菌(SBR)的存在，與Teskeetal.[39]、McKenzieetal.[22]、Bontognalietal.[36]的研究具有較好的可對比性。藻跡(圖4A、圖5A，B)主要由泥晶白云石和有機(jī)質(zhì)組成，色暗。藻斑點(diǎn)，呈隱晶結(jié)構(gòu)，富含有機(jī)質(zhì)，呈褐色、黑色粒狀，其周圍一般發(fā)育藻跡，多個藻斑點(diǎn)常聚集形成藻團(tuán)粒，或定向的排列形成局部的紋層(圖5B)。

除上述藻類和細(xì)菌外，由特殊的內(nèi)部呈放射狀的球狀白云石(圖4G)和微生物作用痕跡，推測應(yīng)該還有中度嗜鹽好氧細(xì)菌的存在，這可與Sánchez- Románetal.[34]研究對比。

圖4 研究區(qū)燈影組藻白云巖中的白云石微觀特征A.紋層狀白云巖中發(fā)育的泥微晶白云石和微生物化石，泥微晶白云石與微生物作用有關(guān)，微生物席(黃色箭頭)和藻跡(藍(lán)色箭頭)發(fā)育明顯，燈二段，單偏光；B.葡萄狀白云巖中發(fā)育的纖維狀白云石，包殼明暗層分明、層面彎曲，具高級白干涉色，文石前驅(qū)的纖維狀假晶和波狀消光十分明顯(紅色箭頭)，明層(黃色箭頭)較厚，顏色較淺，暗層(藍(lán)色箭頭)較薄，顏色較深，還可見至少4個不同包殼之間形成的多邊形妥協(xié)邊(黃色虛線)，燈二段，正交偏光；C.白云石化葡萄狀團(tuán)塊的陰極發(fā)光圖片，核心(藍(lán)色箭頭)的泥晶白云石發(fā)暗紅色光，半自形—自形(菱形)微晶白云石(紅色箭頭)發(fā)黃光，包殼(藍(lán)色箭頭)暗層中的纖維狀白云石發(fā)暗紅色光或弱發(fā)光，明層中的弱發(fā)光—不發(fā)光，燈二段；D.片狀白云石(黃色箭頭)(能譜確認(rèn))(紅色十字)，燈二段，SEM；E.不規(guī)則狀白云石(藍(lán)色箭頭)(能譜確認(rèn))與片狀白云石(黃色箭頭)共生，在不規(guī)則狀白云石表面還見納米級粒狀白云石(紅色箭頭)發(fā)育，燈四段，SEM；F.微米級卵狀白云石，表面富集Si、Mg元素(能譜確認(rèn))，表面還可見納米球狀白云石，燈四段，SEM；G.微米級球狀白云石(黃色箭頭)，內(nèi)部呈放射狀，與Sánchez- Román et al.[34]研究相似，與中度嗜鹽好氧細(xì)菌作用有關(guān)，周圍見黏土礦物(藍(lán)色箭頭)發(fā)育，燈四段，SEM；H.纖維狀白云石，產(chǎn)于白云石化葡萄狀團(tuán)塊的包殼明層中，文石前驅(qū)的纖維狀假晶的短軸寬約1～8 μm，其中白云石生長晶紋(藍(lán)色箭頭)清晰，有晶內(nèi)及晶間的微孔隙(紅色箭頭)發(fā)育，燈二段，SEM；I.纖維狀白云石，產(chǎn)于白云石化葡萄狀團(tuán)塊的包殼暗層中，與明層中的特征相似，呈共軸生長(藍(lán)色箭頭)，晶內(nèi)及晶間的微孔隙(紅色箭頭)發(fā)育，但其較之明層具有更小的、更自形的白云石晶體(黃色箭頭)，且因富含泥質(zhì)或有機(jī)質(zhì)造成白云石晶體生長紋不常見，燈二段，SEM。Fig.4 The microscopic characteristics of dolomites of the Dengying Formation in the study area

圖5 研究區(qū)燈影組藻白云巖中的微生物化石微觀特征A.紅藻(黃色箭頭)和藻跡(藍(lán)色箭頭)化石，發(fā)育于均一狀白云巖中，燈四段，單偏光；B.藻斑點(diǎn)、藻團(tuán)粒(黃色箭頭)和藻跡(藍(lán)色箭頭)化石，發(fā)育于均一狀白云巖中，燈二段，正交偏光；C.微生物席(黃色箭頭)和腎形菌(Renalcis)(藍(lán)色箭頭)化石，發(fā)育于疊層狀白云巖中，被后期方解石脈破壞，燈四段，正交偏光；D.微生物席(生物膜或EPS)(黃色箭頭)呈席狀覆蓋、包裹白云石(能譜確認(rèn))，這些白云石多具納米似立方體粒狀結(jié)構(gòu)，燈四段，SEM；E.席狀或片狀的微生物席(生物膜或EPS)(黃色箭頭)與近圓柱狀黃鐵礦(能譜確認(rèn))共生，燈四段，SEM；F.實(shí)心球狀藍(lán)細(xì)菌(Nanococcus)化石，具隱晶結(jié)構(gòu)，細(xì)胞表面片狀物疑為礦化的細(xì)胞壁或胞外聚合物(EPS)(藍(lán)色箭頭)，富集Si、Mg元素(能譜確認(rèn))，也可見片狀生物膜(或EPS)(黃色箭頭)發(fā)育，燈四段，SEM；G.空心球狀藍(lán)細(xì)菌化石，粒徑15 μm左右，顆粒表面富集Si、Mg元素(能譜確認(rèn))，燈二段，SEM-EBS；H.樹枝狀藍(lán)細(xì)菌(Epiphyton)化石(黃色箭頭)，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)已完全白云石化(能譜確認(rèn))，與片狀白云石(紅色箭頭)、不規(guī)則狀白云石(藍(lán)色箭頭)共生，燈四段，SEM；I.絲狀藍(lán)細(xì)菌(Girvanella)化石(藍(lán)色箭頭)，疑似葛萬菌，見于葡萄狀白云巖包殼明層中，燈二段，SEM。Fig.5 The microscopic characteristics of microbial fossils of the Dengying Formation in the study area

3.3 地球化學(xué)特征

3.3.1 常量元素特征

對研究區(qū)燈影組藻白云巖中的片狀、不規(guī)則狀、球狀、卵狀、納米粒狀等隱晶狀白云石和纖維狀白云石進(jìn)行了掃描電鏡能譜分析(表1)。除去兩個極大值，Mg/Ca原子百分比值主要分布在0.76～1.53之間，平均值為1.08，這與理想的原生白云石的Mg/Ca原子百分比值(為1.00)十分接近，說明其為原生沉淀或早期白云石化成因，而其中兩個極大值，與微生物(EPS)對Si、Mg等陽離子的吸附、富集作用有關(guān)[36]。

3.3.2 微量元素特征

研究區(qū)燈影組藻白云巖的微量元素比值分析顯示(表2)，Sr/Ba值多分布在5.33～17.76之間，平均值為11.88，U/Th值多分布在2.55～66.31之間，平均值為27.49，Ce/La多分布在1.54～2.79之間，平均值為1.86，利用古鹽度、古氧相判別標(biāo)準(zhǔn)分析可知(表2)，藻白云巖主要形成于貧氧—厭氧的海相環(huán)境，與燈影期潮坪—潟湖相沉積的地質(zhì)背景相吻合，且這種高鹽度、缺氧環(huán)境正適合微生物生長。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，葡萄狀、疊層狀白云巖的Sr/Ba、U/Th、Ce/La平均值都較小，指示水深較淺、相對富氧的海相環(huán)境，而均一狀、紋層狀白云巖的平均值都較大，指示水深較深、相對貧氧的海相環(huán)境，這與它們的剖面旋回性結(jié)構(gòu)規(guī)律基本一致(圖2)。

表1 研究區(qū)燈影組藻白云巖中白云石的Mg、Ca原子百分比掃描電鏡能譜分析表

注：(Y002- 02)圖4F、圖5F的能譜分析具有高M(jìn)g/Ca值，而與其相似的(Y012- 03)圖5G的Mg/Ca值明顯偏低，這是因為圖5G中的微生物化石是空心的，細(xì)胞壁太薄，小于SEM電子束直徑，造成分析結(jié)果受周圍的白云石干擾，呈現(xiàn)低Mg/Ca值特征。

表2 研究區(qū)燈影組藻白云巖微量元素分析表(μg/g)

3.3.3 碳、氧同位素特征

對研究區(qū)及鄰區(qū)燈影組藻白云巖的碳、氧同位素數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和分析(表3)，發(fā)現(xiàn)碳同位素(δ13CPDB)值多分布在-0.39‰～2.35‰之間，平均值為0.66‰，氧同位素(δ18OPDB)值多分布在-8.09‰～-3.31‰之間，平均值為-6.68‰，這與Veizeretal.[42]、黃志誠等[43]、羅貝維等[44]的研究結(jié)果具有較好的一致性，說明其未經(jīng)成巖作用強(qiáng)烈改造，能反映原始海水性質(zhì)。另外，通過原始海洋古鹽度Z值和古溫度T值計算公式分析可知(表3)，古鹽度Z值多分布在122.51～129.75之間，平均值為125.33，指示海相(成巖)環(huán)境(Z值>120)，而古溫度T值多分布在32.49 ℃～58.88 ℃之間，平均值為50.61 ℃，這與燈影期研究區(qū)處于低緯度高溫環(huán)境的地質(zhì)背景相一致[43]，且這個溫度也適合微生物的大量繁殖[47]。

表3 研究區(qū)及鄰區(qū)燈影組藻白云巖碳、氧同位素特征

注：*表示由原文推測而得。古鹽度Z=2.048×(δ13CPDB+50)+0.498×(δ18OPDB+50)，古溫度T=16.9-4.38δ18OPDB+0.1δ18OPDB2。

4 討論

4.1 白云石成因與微生物作用

如上所述，研究區(qū)燈影組藻白云巖中發(fā)育隱晶狀和纖維狀兩種不同結(jié)構(gòu)的白云石，它們分別指示微生物白云石和擬晶白云石兩種不同的成因類型。這兩種成因的白云石擁有不同的成因模式，在其形成過程中，微生物作用起到了決定性的作用。

與微生物巖(藻白云巖)相關(guān)的微生物作用(microbial activities)主要包括物理的(生物)穩(wěn)定((bio- )stabilization)、障積、捕獲、黏結(jié)(baffling, trapping and binding)等作用[48]，以及化學(xué)的(生物和有機(jī))礦化作用((bio- and organo- )mineralization)[49- 50]。在本文中，燈影組微生物白云石和擬晶白云石的形成是生物—化學(xué)作用過程，主要受微生物礦化作用影響。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，微生物礦化作用(microbial biomineralization)只有生物控制礦化和生物誘導(dǎo)礦化(biologically controlled and biologically induced mineralization)[51]。近年來，有機(jī)礦化作用(organomineralization)研究受到重視[52]，Duprazetal.[53]由此提出了生物影響礦化作用(biologically influenced mineralization)，隨后Bontognalietal.[54]實(shí)驗證實(shí)了該觀點(diǎn)，并將其修正為微生物影響礦化作用(microbially influenced mineralization)，至此，第三種微生物礦化作用類型開始受到人們重視。在研究區(qū)，基于前文藻白云巖的宏觀、微觀和地球化學(xué)特征研究，認(rèn)為微生物白云石主要由沉積、同生、準(zhǔn)同生階段微生物誘導(dǎo)和影響礦化作用(microbially induced and microbially influenced mineralization)形成，而擬晶白云石的形成除前期受微生物誘導(dǎo)礦化作用外，后期還受另一種微生物作用影響，本文暫且將其定義為一種新的微生物作用——微生物催化礦化作用(microbially catalyzed mineralization)。

(1) 微生物誘導(dǎo)礦化作用

微生物誘導(dǎo)礦化作用主要發(fā)生在沉積—同生階段，其次是準(zhǔn)同生階段，與潮間帶、潟湖環(huán)境下活躍的微生物新陳代謝活動有關(guān)，是主動的微生物作用。這些微生物主要為藍(lán)細(xì)菌和硫酸鹽還原細(xì)菌(圖5)，它們?yōu)槲⑸锇自剖男纬商峁┝舜罅康某珊宋恢?nucleation sites)和有利的微環(huán)境。由于成核位置眾多，除了最初的納米粒狀微生物白云石(圖4E，F(xiàn))十分發(fā)育外，還大量發(fā)育由納米似立方體粒狀微生物白云石(圖5D)形成的片狀微生物白云石(圖4D、圖5H)。與這些納米粒狀、片狀微生物白云石共(伴)生的礦物主要有黃鐵礦(圖5E)、纖維狀文石和高鎂方解石(圖4H，I)，發(fā)育的構(gòu)造主要為與微生物席有關(guān)的微生物誘導(dǎo)構(gòu)造(MISS)(圖3B，C、圖5C)。

(2) 微生物影響礦化作用

微生物影響礦化作用主要發(fā)生在準(zhǔn)同生階段的潮上帶環(huán)境中，是被動的微生物作用，微生物新陳代謝活動減弱，并出現(xiàn)大量死亡，微生物種類主要為硫酸鹽還原細(xì)菌，其次為藍(lán)細(xì)菌和中度嗜鹽好氧細(xì)菌(圖5)。它們也能為微生物白云石的形成提供一定的成核位置和相對有利的微環(huán)境。但是，成核位置顯著減少，主要由活著藍(lán)細(xì)菌的EPS和死去藍(lán)細(xì)菌的未水解的EPS共同提供。EPS的蜂窩狀構(gòu)造先吸附Si、Mg離子，后吸附Ca離子[36]，這可以克服白云石形成的動力障，也是上文微生物白云石能譜分析中其表面富集Si、Mg元素(圖4F)的原因，并且導(dǎo)致了納米球粒狀微生物白云石的形成，隨后，大量的納米球粒狀微生物白云石聚集形成微米級不規(guī)則狀、球狀和卵狀微生物白云石。微生物白云石形成的微環(huán)境除受微生物調(diào)解作用外，還受準(zhǔn)同生階段的強(qiáng)蒸發(fā)作用影響，這可從與微生物白云石共(伴)生的粒狀、片狀、針狀石膏以及鳥眼孔構(gòu)造得到證實(shí)，此外，纖維狀文石、高鎂方解石以及MISS繼續(xù)發(fā)育，微生物化石開始頻繁形成(圖5)。

(3) 微生物催化礦化作用

由前文可知，次生的纖維狀白云石與原生的微生物白云石密切共(伴)生，這暗示其與微生物白云石、微生物作用有著密切的成因關(guān)系。纖維狀白云石可見明顯的文石和高鎂方解石前驅(qū)的假晶特征，關(guān)于其成因，可用擬晶白云石化作用(mimetic dolomization)加以解釋。擬晶白云石化作用(mimetic dolomization)由Sibley[55]通過新生代與古生代的白云巖結(jié)構(gòu)對比研究(新生代白云巖中保存有精美的原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，而在古生代中少見)提出，其研究和定名的前身是Sibley[56]、Kaldietal.[57]、Bullenetal.[58]、Sibleyetal.[59]對白云石結(jié)構(gòu)和白云石化作用類型的研究。后經(jīng)Zempolichetal.[60]、Corsettietal.[61]、Hoodetal.[62]、Kaczmareketal.[63]的補(bǔ)充、完善，擬晶白云石化作用逐漸被研究者們所接受。作者也曾對擬晶白云石化作用進(jìn)行過詳細(xì)研究[28]，本文中將其定義為“高位體系域時期，在同生—準(zhǔn)同生階段的高M(jìn)g/Ca值、微生物(席)繁盛、相對高溫的(潟湖和潮坪)沉積環(huán)境下，無機(jī)和微生物成因的高鎂方解石或/和文石在結(jié)晶、析出的同時或之后快速發(fā)生的保留其原始結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的白云石化作用”。在研究區(qū)燈影組中，葡萄狀、紋層狀、疊層狀白云巖及微生物化石等中發(fā)育有典型的擬晶白云石(圖4，5)，葡萄狀白云巖的前驅(qū)礦物主要是(等厚)纖維狀(環(huán)邊)文石，紋層狀、疊層狀白云巖的前驅(qū)主要是(等厚)纖維狀文石和高鎂方解石，而微生物化石的前驅(qū)主要是隱晶狀高鎂方解石。擬晶白云石化作用過程中的微生物催化礦化作用主要是指，在同生—準(zhǔn)同生階段，活著的和剛死亡的微生物的EPS能持續(xù)吸附、聚集Mg離子，甚至其水解和去碳酸基(hydrolysis and decarboxylation)后也能釋放Mg離子，始終保持富Mg的微環(huán)境，并使Mg離子能相對容易的進(jìn)入經(jīng)無機(jī)結(jié)晶作用和微生物誘導(dǎo)礦化作用等析出的纖維狀或隱晶狀文石和高鎂方解石的晶格中，催化或促使它們在析出的同時或之后快速轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖?，并保留其晶體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)等特征。

4.2 藻白云巖形成過程討論

研究區(qū)燈影組藻白云巖在成巖作用過程中未遭受強(qiáng)烈的改造作用，故其形成過程中最主要和重要的就是微生物礦化作用形成擬晶白云石和微生物白云石的過程。

(1) 擬晶白云石形成過程

擬晶白云石作用的本質(zhì)是纖維狀、隱晶狀文石和/或高鎂方解石發(fā)生白云石化并保留其假晶的作用和過程。具體的作用和形成過程在作者另一篇文章中[28]已有詳細(xì)的描述，在此不再贅述。

(2) 微生物白云石形成過程

不同的微生物活動狀態(tài)、作用方式和作用階段形成的微生物白云石具有不同的形態(tài)特征(圖6)。微生物新陳代謝活動控制著微生物白云巖的宏觀形態(tài)，如旺盛的微生物活動可以形成具(紋)層狀構(gòu)造的疊層石、紋層石，而衰弱的微生物活動一般形成無層狀構(gòu)造的均一石。微生物白云石的形成與微生物EPS密切相關(guān)。EPS是蜂窩狀的有機(jī)網(wǎng)狀物(alveolar organic network)，其內(nèi)的有機(jī)大分子或官能團(tuán)起著酸性有機(jī)模板(organic template)的作用[36]。該酸性有機(jī)模板具有結(jié)構(gòu)導(dǎo)向、電荷平衡(吸附陽離子)和影響沉積物元素組成等作用，可以提供成核位置，導(dǎo)致白云石的形成。在沉積—同生階段，微生物新陳代謝活動活躍，EPS、生物膜、微生物席十分發(fā)育，微環(huán)境主要呈還原環(huán)境，EPS提供的成核位置眾多，主要由微生物誘導(dǎo)作用形成大量納米似立方體粒狀微生物白云石(圖5D)，并進(jìn)一步組成(亞)微米級的片狀微生物白云石(圖4D、圖5H)。在準(zhǔn)同生階段，海平面下降，微生物新陳代謝活動減弱，微生物作用包括微生物影響和誘導(dǎo)作用，主要發(fā)生在潮上帶的近地表環(huán)境中。該環(huán)境下的潛流帶或孔縫中，還存在原始的海水，微環(huán)境受微生物調(diào)解和蒸發(fā)作用共同控制，成核位置由于微生物的死亡而大量減少，由存活微生物的EPS和死亡微生物未水解的EPS共同提供。所以，準(zhǔn)同生階段形成的微生物白云石相對較少，呈零星分布，但是由于微環(huán)境的相對穩(wěn)定，微生物白云石個體稍大，形態(tài)多呈納米球粒狀以及由其組成的微米級不規(guī)則狀、球狀和卵狀等(圖4E，F(xiàn)，G)。最后，片狀、不規(guī)則狀、球狀、卵狀微生物白云石與纖維狀擬晶白云石一起組成具紋層狀、疊層狀、均一狀等構(gòu)造的藻白云巖(圖6)。

4.3 葡萄狀藻白云巖成因討論

葡萄狀藻白云巖成因的核心問題包括葡萄狀構(gòu)造成因和白云石化成因兩個部分，作者前期也做了探討性的研究[28]，本文將對一些富有爭議的問題進(jìn)行再次探討，以期拋磚引玉。

葡萄狀白云巖中的“葡萄狀”應(yīng)是指“葡萄狀構(gòu)造”，而不能粗略地稱為“葡萄石”。在沉積學(xué)研究領(lǐng)域，無論是在現(xiàn)代還是在地質(zhì)歷史時期中，葡萄狀構(gòu)造主要以碳酸鹽海灘的葡萄石、葡萄狀團(tuán)塊、膠結(jié)物，以及溶洞中的葡萄狀充填物、洞穴沉積物(如石鐘乳)等形式存在。目前，關(guān)于研究區(qū)及鄰區(qū)燈影組葡萄狀白云巖的成因問題，存在沉積—準(zhǔn)同生成因和表生成因的爭論。作者通過前期[28]及本文研究認(rèn)為，兩種成因都有存在，藻白云巖中的葡萄狀白云巖，作為一種巖石類型，其更多的應(yīng)是沉積—準(zhǔn)同生階段海水成因，而藻白云巖溶蝕洞、縫中的葡萄狀充填物或沉積物應(yīng)是表生階段大氣淡水成因。表生成因之所以備受研究者關(guān)注，很大一部分原因是因為燈影組中的相當(dāng)大一部分礦產(chǎn)資源都賦存于巖溶葡萄狀構(gòu)造中，但是關(guān)于巖溶成因，目前的(鍶同位素)地球化學(xué)證據(jù)更偏向于表生大氣淡水成因，而傳統(tǒng)沉積學(xué)的顯微鏡、陰極發(fā)光特征更偏向于準(zhǔn)同生大氣淡水成因。如何去綜合分析、界定大氣淡水作用階段、規(guī)模，是值得進(jìn)一步探討的問題。

圖6 研究區(qū)燈影組微生物白云石形態(tài)演化特征Fig.6 The morphological evolution of microbial dolomite of the Dengying Formation in the study area

另外，還有一些有趣的問題值得關(guān)注。1)無論葡萄狀構(gòu)造是沉積—準(zhǔn)同生成因還是表生成因，它的形成過程中都有微生物參與其中，那么微生物的作用是什么？微生物新陳代謝作用能調(diào)解其周圍的微環(huán)境，誘導(dǎo)、影響礦物的生長，其微生物—礦物交互作用明顯區(qū)別于礦物無機(jī)沉積作用。2)怎么區(qū)分沉積—準(zhǔn)同生階段和表生階段的微生物及其作用？兩個階段具有不同的生長環(huán)境，微生物種類、群落組成、繁盛程度等都有區(qū)別，微生物—礦物交互作用也存在差異，如形成礦物的大小、形態(tài)、規(guī)模都有差異。3)若葡萄狀構(gòu)造是沉積—準(zhǔn)同生成因，那么微生物在葡萄狀構(gòu)造和白云石形成過程中，起著什么作用，二者有無聯(lián)系或差異？前文已有提及，微生物作用是一種綜合作用，既能形成微生物白云石，也能催化文石、方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖?，還能通過黏結(jié)、捕獲礦物等方式形成葡萄狀、疊層狀、紋層狀、凝塊狀等構(gòu)造。這些問題的解答還很粗略，也存在紕漏，目前只能做嘗試性的探討，需要進(jìn)一步的實(shí)例研究證實(shí)。

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)燈影組藻白云巖為一套在潮坪和潟湖環(huán)境下形成的微生物(碳酸鹽)巖巖石類型組合，以疊層狀、紋層狀、葡萄狀和均一狀白云巖為主，其次為雪花狀、藻砂屑白云巖和凝塊狀白云巖。

(2) 燈影組藻白云巖中發(fā)育兩種不同結(jié)構(gòu)、成因的白云石，分別是原生的隱晶狀微生物白云石和次生的纖維狀擬晶白云石，二者密切共(伴)生，其形成與藍(lán)細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌、中度嗜鹽好氧細(xì)菌、紅藻等微生物的礦化作用密切相關(guān)。微生物白云石主要由沉積—準(zhǔn)同生階段的微生物誘導(dǎo)和影響礦化作用形成，而擬晶白云石主要由沉積—(準(zhǔn))同生階段的無機(jī)結(jié)晶作用、微生物誘導(dǎo)礦化作用，以及同生—準(zhǔn)同生階段的微生物催化礦化作用、擬晶白云石化作用共同形成。

(3) 燈影組藻白云巖的形成過程中最主要和重要的是隱晶狀微生物白云石和纖維狀擬晶白云石的形成過程。在沉積—同生階段，主要由微生物誘導(dǎo)礦化作用形成大量納米似立方體粒狀微生物白云石，并進(jìn)一步組成(亞)微米級的片狀微生物白云石，同時共(伴)生纖維狀文石和高鎂方解石；在同生—準(zhǔn)同生階段，主要由微生物影響礦化作用形成納米球粒狀微生物白云石, 并進(jìn)一步組成微米級不規(guī)則狀、球狀和卵狀微生物白云石，同時因微生物催化礦化作用發(fā)生文石和高鎂方解石的擬晶白云石化作用形成纖維狀擬晶白云石；最后，微生物白云石與擬晶白云石一起組成具紋層狀、疊層狀、均一狀等構(gòu)造的藻白云巖。

致謝 感謝評審專家對本文提出的寶貴意見。感謝雜志社、出版商對本文的支持。感謝中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心和四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊為本文提供野外工作保障。感謝幫助本文的所有人。

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